Введение 3
Глава 1. Актуальные вопросы развития оптических квантовых технологий 5
Перспективные направления квантовой информатики 5
Основные схемы квантовой памяти 8
Глава 2. Квантовая память на основе нерезонансного рамановского взаимодействия в резонаторе 13
Основные уравнения в случае идеальной лямбда-схемы 13
Оптимальная форма импульса 19
Глава 3. Нерезонансное рамановское взаимодействие в среде не имеющей ортогональной лямбда-схемы 30
Неортогональность лямбда-схемы переходов 30
Учет сверхтонкой структуры 32
Расчет параметров кристаллов 34
Глава 4. Нерезонансное рамановское взаимодействие в примесных
кристаллах 39
Квантовая память в кристалле Er :Y LIF4. 39
Квантовая память в кристалле Nd :Y LiF4 42
Заключение 47
Актуальность работы. Создание оптической квантовой памяти является одной из актуальных задач современной квантовой оптики и информатики. Устройства, способные запоминать и воспроизводить квантовые состояния света, необходимы для работы оптических квантовых компьютеров и реализации дальнодействующей оптической квантовой связи. Кроме того, квантовую память можно использовать для создания так называемых фотонных пушек - детерминированных источников однофотонных состояний, а также для реализации различных протоколов квантовых измерений, использующих перенос неклассических состояний света на атомы. Основное внимание уделяется схемам квантовой памяти, основанным на взаимодействии слабых световых импульсов с многоатомными системами в режиме фотонного эха, электромагнитно - индуцированной прозрачности и нерезонансного рамановского поглощения и рассеяния. Именно такие схемы позволяют реализовать многомодовую квантовую память, необходимую для практического использования. Что касается носителей квантовой информации, то к числу наиболее перспективных относятся диэлектрические кристаллы, активированные редкоземельными ионами. Время хранения информации в таких материалах достигает одной минуты.
Подавляющее большинство теоретических работ, посвящённых разработке новых схем оптической квантовой памяти, основывается на использовании идеальной трёхуровневой модели атомов с лямбда-схемой резонансных переходов. Действительно, экспериментаторам иногда удаётся найти условия, близкие к идеальным. Однако в большинстве случаев для детального анализа работы квантовой памяти требуется более точная модель, учитывающая реальную структуру атомных уровней. В частности, возможность реализации нерезонансного комбинационного (рамановского) взаимодействия полей в примесных кристаллах, активированных редкоземельными ионами, с учётом реальной сверхтонкой структуры оптических переходов, до сих пор не анализировалась. Поэтому проведение соответствующего теоретического исследования является актуальной задачей в области разработки оптической квантовой памяти.
Целью магистерской работы является разработка теоретической модели оптической квантовой памяти на основе комбинационного (рамановского) взаимодействия полей в кристаллах, активированных редкоземельными ионами, и оценка соотношения сигнал/шум на выходе оптической квантовой памяти с учётом реальной сверхтонкой структуры оптических переходов примесных ионов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• Построение теоретической модели, описывающей нерезонансное комбинационное (рамановское) взаимодействие контрольного и сигнального полей с ансамблем многоуровневых примесных атомов.
• Расчет сверхтонкой структуры энергетических уровней кристаллов
Nd3+:Y7LiF4 и Er3+:Y7LiF4.
• Определение оптимальных условий реализации нерезонансного
143 3+ 7 рамановского взаимодействия в кристаллах Nd :Y LiF4 и 167 о. 7 Er3+:Y7LiF4
• Анализ соотношения сигнал/шум на выходе оптической квантовой 143 э+ -у 167 -у памяти в кристаллах Nd :Y LiF4 и Er :Y LiF4 Научная новизна. Построена модель оптической квантовой памяти на основе комбинационного (рамановского) взаимодействия полей в кристаллах, активированных редкоземельными ионами. Проведён численный анализ эффективности и шумовых характеристик оптической квантовой памяти в кристаллах Nd :YLiF4 и Er :Y LiF4
Практическая значимость. Построенная в настоящей работе модель квантовой памяти позволяет производить оценку соотношения сигнал/шум на выходе запоминающего устройства, что можно использовать для определения возможности реализации рамановских протоколов записи и воспроизведения слабых импульсов света в кристаллах, активированных редкоземельными ионами.
В ходе выполнения работы исследована возможность реализации нерезонансной рамановской схемы оптической квантовой памяти в примесных кристаллах, активированных редкоземельными ионами. На примере кристаллов Nd :YLiF4, Ег :YLiF4.
Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:
1. Развита теоретическая модель, описывающая запись и воспроизведение световых импульсов в режиме нерезонансного рамановского взаимодействия в многоуровневой системе атомов, которая не имеет ортогональной Л-схемы переходов.
2. Рассчитаны параметры сверхтонкой структуры энергетических уровней исследуемых кристаллов.
3. С использованием развитой модели сделан анализ соотношения сигнал/шум на выходе оптической квантовой памяти в кристалле 143Nd3+:Y7LiF4 и 1 6 7 Er3+:Y7LiF4.
4. Определены оптимальные условия реализации нерезонансного рамановского взаимодействия в кристалле Nd :Y LiF4 и Ег :YLiF4. На основании данных результатов можно сделать вывод о том, что возможна запись и воспроизведение слабых световых импульсов (однофотонных состояний) в многоуровневой системе атомов с неортогональными Л-схемами переходов.
